WO2022145810A1 - 외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법 - Google Patents

외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법 Download PDF

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exterior
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임승규
이길주
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Definitions

  • the present invention relates to an exterior material, a method of forming a pattern on the exterior material, and a method of producing a battery including the exterior material.
  • An electrochemical cell refers to an assembly that is composed of at least two electrodes and an electrolyte to provide electrical energy, and in particular, a lithium ion battery composed of a secondary cell capable of charging and discharging. It is widely used in various high-tech electronic devices including smartphones.
  • the exterior material may be damaged. If the exterior material is severely damaged, the internal electrolyte may leak. In addition, even when a slight damage to the exterior material occurs, moisture in the air penetrates into the interior of the battery, causing swelling of the battery, and damage to the electrode may reduce the capacity and output of the battery.
  • pattern processing is performed by pressing the upper and lower molds on the exterior material. Since a battery using a patterned exterior material has a higher modulus of elasticity (modulus of elasticity) than a battery using an unprocessed exterior material, the force acting on the exterior material when the battery is bent is distributed rather than concentrated on one side. Accordingly, the exterior material and the electrode assembly accommodated therein are not severely bent at any one part.
  • the pattern of the exterior material does not need to be formed deeply, but it is necessary to improve the durability of the battery by minimizing damage to the exterior material due to repetitive bending, bending, folding, twisting, etc. of the battery.
  • the compressive force applied in the thickness direction rather than the tensile force in the longitudinal direction of the exterior material has a greater effect on the durability of the battery.
  • the electrode assembly accommodated in the interior of the exterior material is deformed, a force pushing the exterior material is applied. If the exterior material cannot withstand the force acting from the internal electrode assembly, the electrode assembly inside is easily bent around the weak part of the exterior material, and the exterior material in the corresponding area is damaged, resulting in deterioration of battery performance and safety issues such as swelling and leakage. cause to occur.
  • Patent Document 1 Korea Patent Publication No. 2005-0052069 (published on 02.06.2005)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-218991 (published on October 24, 2013)
  • the present invention is to solve the problems of the prior art described above, and includes at least one pattern portion formed in MD (Machine Direction) of the exterior material, the MD of the exterior material is the width direction of the battery including the exterior material, the TD of the exterior material (Transverse Direction) is to provide an exterior material used in the battery, which is the longitudinal direction of the battery including the exterior material.
  • MD Machine Direction
  • TD Transverse Direction
  • an embodiment of the present invention includes at least one pattern portion formed by MD (Machine Direction) of the exterior material in the exterior material used for the battery, and the MD of the exterior material is A width direction of the battery including the exterior material, and a TD (Transverse Direction) of the exterior material may be a longitudinal direction of the battery including the exterior material.
  • MD Machine Direction
  • TD Transverse Direction
  • the exterior material is folded by the TD of the exterior material and used in manufacturing the battery, and the exterior material used in manufacturing the battery is bent by the TD of the exterior material, whereby the battery is bent by the TD of the exterior material It could be to make it happen.
  • the exterior material is folded by the MD of the exterior material and used in manufacturing the battery, and the exterior material used in manufacturing the battery is bent by the TD of the exterior material, whereby the battery is bent by the TD of the exterior material It could be to make it happen.
  • it surrounds the pattern portion and further comprises a sealing portion to which a portion of the two surfaces is joined to form a closed space between the two surfaces of the exterior material, and an edge portion of the pattern portion is the sealing portion may be adjacent to
  • a radius of curvature with respect to an edge portion of the pattern portion may be smaller than a radius of curvature with respect to a central portion of the pattern portion.
  • the radius of curvature may decrease from a central portion of the pattern portion toward an edge portion of the pattern portion.
  • the pattern portion may be formed of the MD of the exterior material in consideration of the possibility of damage to the edge portion of the pattern portion.
  • the fatigue life due to deformation of the edge portion of the pattern portion may be set based on the pattern portion formed of the MD of the exterior material.
  • the fatigue life with respect to deformation of the edge portion of the pattern portion may be longer than the fatigue life due to deformation of the edge portion of the pattern portion of another exterior material including at least one pattern portion formed of the TD of the exterior material.
  • the exterior material may be formed in a multi-layer structure in which at least one material is laminated.
  • Another embodiment of the present invention provides a method of forming a pattern on an exterior material, comprising the steps of locating the exterior material between an upper mold and a lower mold, and pressing the exterior material using the upper mold and the lower mold to form a pattern of the exterior material.
  • MD Machine Direction
  • MD of the exterior material is the width direction of the battery including the exterior material
  • TD Transverse Direction
  • MD of the exterior material of the battery comprising the exterior material It may be in the longitudinal direction.
  • Another embodiment of the present invention in a method for producing a battery including an exterior material, the step of forming at least one pattern portion on the exterior material by MD (Machine Direction) of the exterior material, folding the exterior material, the Inserting an electrode assembly into the folded casing and sealing the casing into which the electrode assembly is inserted, wherein the MD of the casing is the width direction of the battery including the casing, and the TD (Transverse Direction of the casing) ) may be in the longitudinal direction of the battery including the exterior material.
  • MD Machine Direction
  • TD Transverse Direction of the casing
  • the present invention includes at least one pattern portion formed in the MD (Machine Direction) of the exterior material, the MD of the exterior material is the width direction of the battery including the exterior material, the exterior material of TD (Transverse Direction) may provide an exterior material used in a battery, which is a longitudinal direction of a battery including the exterior material.
  • FIG. 1 is a view illustrating an exterior material by way of example
  • FIG. 2 is a view illustrating an exterior material and a pattern unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view illustrating an exterior material in which a pattern part is formed in a direction different from that of the pattern part shown in FIG. 2 .
  • FIG. 4A is a perspective view illustrating a battery including an exterior material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a view showing a cross-sectional shape of the battery shown in FIG. 4A.
  • 5A is a view for explaining a cross-sectional shape of a pattern part and a radius of curvature of the pattern part according to an embodiment of the present invention.
  • 5B is a view for explaining a radius of curvature of a pattern part according to an embodiment of the present invention.
  • 5C is a view for explaining the shape of the pattern part when viewed from above according to an embodiment of the present invention.
  • 7A is a view for explaining a method of evaluating bending durability of a battery including an exterior material.
  • 7B is a view for explaining the force acting on the exterior material when evaluating the bending durability of the battery including the exterior material.
  • FIG. 8 is a flowchart of a method of forming a pattern on a exterior material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart of a method of manufacturing a battery including a casing according to an embodiment of the present invention.
  • the battery including the exterior material according to the present invention may be, for example, an electrochemical cell, or a lithium ion battery.
  • the battery including the casing according to the present invention may be configured such that the electrode assembly is accommodated and sealed together with the electrolyte inside the casing, and charged and discharged by movement of lithium ions.
  • the battery including the exterior material according to the present invention may be a flexible battery configured to be bent with flexibility while maintaining a state of exhibiting its function.
  • the exterior material 100 may be formed, for example, in a multi-layered structure in which at least one material is laminated. At least one material may have ductility, respectively.
  • the multilayer structure of the exterior material 100 may include a sealing layer, a material barrier layer, and a protection layer, which are classified according to the function of each layer.
  • the sealing layer may be composed of a polypropylene (PP) film.
  • the material barrier layer may be made of aluminum foil.
  • the protective layer may be composed of a nylon film or a nylon and polyethylene terephthalate (PET) composite layer.
  • the exterior material 100 is manufactured by a roll to roll process, and mechanical properties of the exterior material 100 may vary depending on the axial or longitudinal direction of the roll.
  • MD Machine Direction
  • TD Transverse Direction
  • MD Machine Direction
  • TD Transverse Direction
  • the mechanical properties of the battery may vary depending on the direction in which the pattern is formed. That is, a battery including an exterior material in which a pattern is formed by the MD of the exterior material and a battery including a exterior material in which a pattern is formed by the TD of the exterior material may have different mechanical properties. Accordingly, the direction in which the pattern is formed may affect the durability of the pattern edge portion of the flexible battery.
  • the exterior material 100 may include at least one pattern portion 111md formed of the MD of the exterior material 100 .
  • the MD of the exterior material is the width direction 10A of the battery
  • the TD of the exterior material is the length direction 10B of the battery.
  • FIG. 3 shows an exterior material in which the pattern part 111td is formed in a direction different from that of the pattern part 111md shown in FIG. 2 .
  • the pattern portion 111td is formed in a TD (Transverse Direction) of the exterior material.
  • the TD of the exterior material may be in the width direction 10A of the battery, and the MD of the exterior material may be the length direction 10B of the battery. have.
  • FIG. 4A is a perspective view illustrating a battery including the exterior material 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a diagram illustrating a cross-sectional shape of the battery shown in FIG. 4A .
  • the battery 10 may include a casing 100 , an electrode assembly 200 accommodated in the casing 100 , and an electrode lead 300 connected to the electrode assembly 200 . .
  • the electrode assembly 200 may include a plurality of electrodes, may further include a separator, and may have a structure in which they are stacked in a thickness direction.
  • the electrode assembly 200 may include first and second electrodes having different polarities, and a mixture containing an active material may be applied to both surfaces or one end surfaces of each of the first and second electrodes.
  • a separator may be interposed between the first and second electrodes.
  • the current collector used as the negative electrode for the first electrode is copper, aluminum, etc., graphite, carbon, lithium, silicon, silicon derivatives such as SiO x , silicon-graphite composite, tin, silicon-tin composite, or one thereof It may be composed of a negative active material that is a combination of the above.
  • the current collector used as the positive electrode for the second electrode is made of aluminum or stainless steel, and lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium cobalt-manganese oxide, lithium cobalt-nickel oxide, lithium manganese-nickel oxide, lithium
  • the cathode active material may include one or more combinations of cobalt-nickel-manganese oxide, lithium cobalt-nickel-aluminum oxide, and lithium iron phosphate.
  • the electrode assembly 200 extends longer than the width direction in the longitudinal direction of the two directions in which the first and second electrodes extend to form a surface, and intersects (eg, orthogonal) to the direction in which the surface is formed, the active material And it may have a thin shape in the thickness direction in which the separator is laminated.
  • the electrode assembly 200 may include an electrode connection tab and a lead connection tab.
  • the electrode connection tabs may be formed to protrude from one end of the first and second electrodes in the longitudinal direction, and the electrode connection tabs protruding from electrodes having the same polarity may be coupled to each other.
  • the electrodes may be electrically connected in parallel by the electrode connection tab.
  • the lead connection tab may be connected to the electrode lead 300 , and may protrude from the electrodes of the positive and negative electrodes to be coupled to the electrode lead 300 .
  • the exterior material 100 may include a accommodating part 110 and a sealing part 120 .
  • the accommodating part 110 may form a space accommodating the electrode assembly 200 , and the sealing part 120 may be bonded to seal the accommodated electrode assembly 200 from the outside.
  • the accommodating part 110 may correspond to an area of the two exterior materials 100 facing each other while being spaced apart from each other.
  • the exterior material 100 may be processed to protrude by being pressed in the thickness direction so that a predetermined area of the exterior material 100 has a substantially rectangular bowl (or cup) shape.
  • At least one pattern part 111md may be formed on the surface of the receiving part 110 of the present embodiment to extend to the MD of the exterior material 100 .
  • the pattern portion 111md is a pattern that extends in one direction and is repeatedly arranged in a direction intersecting one direction, specifically, protruding or recessed alternately in the thickness direction (i.e., protruding alternately in opposite directions), It may have an uneven shape along one direction.
  • one direction may be the width direction 10A of the battery that is the MD of the exterior material 100
  • the direction in which the pattern part 111md is repeated may be the length direction 10B of the battery that is the TD of the exterior material 100 . Due to the protruding and recessed pattern portions 111md, as shown in FIG. 4B , the exterior material 100 forming the receiving portion 110 may form a wave or wrinkle pattern in the longitudinal direction.
  • the sealing part 120 may be formed by bonding two sealing surfaces.
  • the sealing surface means a bonding surface of the exterior material 100 , and by bonding the two sealing surfaces overlapping along the edge of the accommodation part 110 to each other, the inner space (the accommodation part 110 ) can be isolated from the outside.
  • the electrode assembly 200 and the electrolyte described above may be accommodated in the inner space, and the electrode assembly 200 and the electrolyte may be maintained in a sealed state.
  • the sealing part 120 may surround the pattern part 111md and form a sealed space between the two surfaces of the exterior material 100 .
  • the sealing part 120 may have a flat plate shape extending in the width direction 10A of the battery or the length direction 10B of the battery.
  • the flat plate shape of the sealing part 120 may be a shape in which the surfaces are not curved to face each other.
  • the sealing part 120 may have a pattern different from that of the pattern part 111md, for example, a pattern having a height lower than that of the pattern part 111md in the thickness direction.
  • the edge portion 110e of the pattern portion may be a portion adjacent to the sealing portion 120 .
  • the edge portion 110e of the pattern portion may include a region adjacent to the portion extending in the longitudinal direction 10B of the sealing portion 120 battery.
  • the electrode lead 300 is connected to the electrode assembly 200 inside the casing 100 and extends to be exposed to the outside of the casing 100 .
  • the electrode lead 300 functions as a terminal for electrical connection with the electrode assembly 200 accommodated in the exterior material 100, and the sealing part 120 is interposed between the sealing surfaces when the sealing part 120 is formed. It can be bonded to pass through.
  • the pair of electrode leads 300 of the positive and negative electrodes may be coupled to the same poles as the lead connection tabs provided in the electrode assembly 200 .
  • the exterior material 100 of the present invention may be folded in the TD or MD of the exterior material 100 to be used in manufacturing the battery 10 .
  • the exterior material 100 used in manufacturing the battery 10 is bent by the TD of the exterior material 100 , so that the battery can be bent by the TD of the exterior material 100 . That is, since the exterior material 100 can have mobility in the TD of the exterior material 100 by the pattern part having a wave or wrinkle pattern in the MD of the exterior material 100, the battery using the exterior material 100 is also the exterior material 100 ) can have mobility as a TD.
  • 5A is a diagram illustrating a cross-sectional shape and a radius of curvature of a pattern part 111md according to an embodiment of the present invention.
  • the pattern portion 111md may be formed such that a concave-convex shape having a constant pattern height h1 and a pattern pitch P is repeated.
  • the curvature indicates the degree of bending of a curve or curved surface
  • the radius of curvature R indicates the radius of the arc.
  • the radius of curvature of the pattern portion 111md may decrease from the central portion of the pattern portion toward the edge portion of the pattern portion.
  • Figure 5c shows a shape when viewed from above the pattern portion according to an embodiment of the present invention.
  • the pattern width in the TD may decrease from the central portion of the pattern portion toward the edge portion 110e of the pattern portion.
  • the radius of curvature R2 of the edge portion 110e of the pattern portion may be smaller than the radius of curvature R1 of the central portion of the pattern portion.
  • Table 1 shows the thickness and total thickness of each component of the exterior material A, the exterior material B, the exterior material C, and the exterior material D.
  • the exterior material A, the exterior material B, and the exterior material C may be roll-to-roll manufactured by the A lamination method
  • the exterior material D may be roll-to-roll manufactured by the B lamination method.
  • the direction of the pattern portion that is, the direction of forming the pattern portion may be determined based on the mechanical properties of the exterior material when the exterior material including the pattern portion formed by the MD of the exterior material and the exterior material including the pattern portion formed by the TD of the exterior material are repeatedly folded respectively. .
  • a flexible battery may frequently break at the edge of the pattern of the exterior material having the smallest radius of curvature.
  • the state with the smallest radius of curvature is the folded (folding) state, and through repeated folding evaluation of the exterior material, the bending durability of the flexible battery can be easily known (accelerated test).
  • a sample is punched out with a uniform width and length of each of the exterior materials having different directions (MD, TD) in which the configuration of the exterior material and the pattern portion are formed.
  • the facing material may be punched in the shape of a dumbbell having a width of 10 mm and a length of 100 mm.
  • each exterior material is pressed and folded (folding) with the same pressure and time.
  • the exterior material can be folded by pressing it with a pressure of 0.2 Mpa for 2 seconds.
  • Each facing material can be folded and unfolded repeatedly in the same manner a plurality of times.
  • a tensile tester can be used to fix the limited displacement in the longitudinal direction of the specimen and pull it at a constant strain.
  • the length of the exterior material sample before tensioning may be 100 mm
  • the length of the exterior material sample after tensioning may be 105 mm
  • the limiting displacement may be 5 mm
  • the strain may be 5%.
  • the exterior material (MD pattern) in which the pattern portion is formed by the MD of the exterior material may be folded in the MD and stretched by the TD.
  • the exterior material (TD pattern) in which the pattern portion is formed by the TD of the exterior material may be folded by the TD and stretched by the MD.
  • Table 2 shows the results of the tensile test after repeated folding for the exterior materials A to D shown in Table 1.
  • the degree of damage of the exterior material sample in which the pattern portion is formed by the TD of the exterior material was greater than that of the exterior material sample in which the pattern portion was formed by the MD of the exterior material in exterior materials A, B, and C.
  • the tensile test was performed, and the exterior materials A, B, C and D were folded in MD and the durability when tensioned in TD was folded in TD. It was found that the durability of the exterior material, that is, the bending and folding durability of the exterior material, was higher than that of the case of tensioning with MD.
  • the pattern portion By forming the pattern portion with the MD of the exterior material, damage to the edge portion of the pattern portion having a small radius of curvature may be minimized and the bending durability of the battery may be improved.
  • FIG. 6 shows a stress-strain graph.
  • toughness represents the area of the stress-strain curve.
  • Table 3 shows the results of evaluation of mechanical properties of the exterior material B after the tensile test after repeated folding described above was performed.
  • Table 4 shows the results of evaluating mechanical properties of the exterior material C after the tensile test after repeated folding as described above.
  • Table 5 shows the results of evaluation of mechanical properties of the exterior material D after the tensile test after repeated folding as described above.
  • an exterior material manufactured by roll-to-roll by method A or method B has excellent ductility in the MD of the exterior material and excellent rigidity in the TD of the exterior material.
  • FIG. 7A is a view for explaining another method of evaluating bending durability of a battery including an exterior material.
  • bending evaluation may be performed by bending the battery 10 including the exterior material 100 in one direction a plurality of times.
  • a force 710 is applied in the direction of contracting the exterior material 100 in the bending inner diameter, and the exterior material 100 is relaxed in the bending outer diameter.
  • a force 720 is applied in the direction
  • bending evaluation may be performed with the TD of the exterior material. In other words, bending evaluation may be performed by bending the battery including the exterior material 100 in the longitudinal direction 10B of the battery.
  • the battery including the exterior material including the pattern portion 111td may perform bending evaluation by bending the battery including the exterior material in the MD of the exterior material, that is, in the longitudinal direction 10B of the battery.
  • the bending evaluation may be performed by bending the battery under R15, 25 rpm conditions.
  • Table 6 shows a case in which a pattern portion is formed using the MD of the exterior material for any one of the exterior materials A, B, C, and D shown in Table 1 (MD pattern) and a case where the pattern portion is formed by the TD of the exterior material (TD pattern) , shows the results of bending evaluation.
  • battery 1 of Table 6 means a battery including the exterior material A in which a pattern part is formed by the MD of the exterior material.
  • the pattern portion in MD on the exterior material damage to the edge portion of the pattern portion of the exterior material is minimized to reduce electrolyte leakage and swelling, and the bending durability and safety of the battery may be improved.
  • FIG. 8 is an exemplary view for explaining a method of forming a pattern on an exterior material according to an embodiment of the present invention.
  • step S810 the exterior material 100 may be positioned between the upper mold and the lower mold.
  • At least one pattern portion 111md may be formed by MD (Machine Direction) of the exterior material 100 by pressing the exterior material 100 using the upper mold and the lower mold in step S820 .
  • the MD of the exterior material may be the width direction of the battery including the exterior material
  • the TD (Transverse Direction) of the exterior material may be the longitudinal direction of the battery including the exterior material
  • steps S810 to S820 may be further divided into additional steps or combined into fewer steps, according to an embodiment of the present invention.
  • some steps may be omitted as needed, and the order between the steps may be switched.
  • FIG. 9 is an exemplary view for explaining a method of generating a battery including a casing according to an embodiment of the present invention.
  • step S910 at least one pattern portion 111md may be formed on the exterior material 100 by MD (Machine Direction) of the exterior material 100 .
  • step S920 the exterior material 100 on which the pattern portion 111md is formed may be folded.
  • the electrode assembly 200 may be inserted into the folded casing 100 in step S930 .
  • a pattern portion corresponding to the upper surface of the battery and a pattern portion corresponding to the lower surface of the battery are respectively formed as the MD of the exterior material, and the exterior material is the TD of the exterior material, which can be folded based on the center line between the two pattern portions. There is (folding operation).
  • the packaging material folded with respect to the center line between the two pattern parts is positioned so that the pattern part corresponding to the upper surface of the battery and the pattern part corresponding to the lower surface of the battery overlap, and the electrode assembly can be inserted to overlap the position of the pattern part.
  • the exterior material in which the pattern part is formed by the MD of the exterior material may be folded by the MD of the exterior material.
  • the electrode assembly may be inserted into the folded casing.
  • the casing 100 into which the electrode assembly 200 is inserted may be sealed.
  • the exterior material 100 may perform a sealing operation on four surfaces surrounding the exterior material to create four sealing areas, of which two sealing areas are formed of the MD of the exterior material 100 , and the remaining two The sealing area of may be formed of the TD of the exterior material 100 .
  • the MD of the exterior material may be the width direction of the battery including the exterior material
  • the TD (Transverse Direction) of the exterior material may be the longitudinal direction of the battery including the exterior material
  • steps S910 to S940 may be further divided into additional steps or combined into fewer steps, according to an embodiment of the present invention.
  • some steps may be omitted as needed, and the order between the steps may be switched.
  • the process of forming the pattern portion on the exterior material may be performed before sealing (sealing) the exterior material or after sealing (sealing) the exterior material in the present invention.
  • the fatigue life against deformation of the edge portion of the pattern portion may be set based on the pattern portion formed of the MD of the exterior material.
  • the fatigue life with respect to deformation of the edge portion of the at least one pattern portion formed of the MD of the exterior material is higher than the fatigue life of the deformation of the edge portion of the pattern portion of the other exterior material including the at least one pattern portion formed of the TD of the exterior material. It can be long.
  • the fatigue life of the edge portion of the pattern portion of the exterior material may be improved by including the exterior material in which the pattern portion is formed as the MD of the exterior material according to the present invention.
  • the fatigue life is determined by folding (eg, folding an exterior material to produce a battery), bending (eg, bending a battery or plywood), and repeated folding (eg, an experiment on battery durability). It can mean the fatigue life against deformation caused by force applied to the edge part of the exterior material, such as the operation of repeatedly folding the exterior material for this purpose.
  • the pattern portion may be formed of the MD of the exterior material in consideration of the possibility of damage to the edge portion of the pattern portion of the exterior material.
  • the battery including the exterior material in which the pattern portion is formed by the MD of the exterior material may be applied to a device having a relatively large fatigue strength due to a small bending radius.
  • the bending radius of the battery in the device corresponds to 5R (finger circumference) to 35R (ankle circumference), and can be applied to wristbands, wrist watches, ring-type smart devices, and the like.

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Abstract

배터리에 사용되는 외장재는, 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향이다.

Description

외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법
본 발명은 외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법에 관한 것이다.
전기화학 셀(electrochemical cell)은 적어도 두 개의 전극, 그리고 전해질로 구성되어 전기 에너지를 제공할 수 있는 조립체를 의미하며, 특히, 충전 및 방전이 가능한 이차전지(secondary cell)로 구성되는 리튬 이온 배터리는 스마트폰을 포함하는 각종 첨단 전자 기기에 널리 사용되고 있다.
최근에는 스마트폰을 포함하는 모바일 디바이스, 각종 웨어러블 디바이스의 디자인에 있어 종래 형상에서 탈피한 다양한 시도가 이루어지고 있으며, 나아가, 기능을 유지하면서 휘어질 수 있는 플렉시블 기기에 대한 주목도가 높아지고 있다. 이에, 이러한 플렉시블 디바이스에 내장되어 전원으로 사용될 수 있는 플렉시블 전기화학 셀에 대하여 기능 및 안전성을 확보하는 것이 중요하다.
플렉시블 배터리를 반복적으로 굽혔다 펼 경우 외장재가 파손될 우려가 있다. 외장재가 심하게 파손되면 내부 전해액의 누액이 발생할 수 있다. 또한, 외장재에 경미한 파손이 발생한 경우에도 대기 중의 수분이 배터리의 내부로 침투하여 배터리의 스웰링(swelling) 현상이 유발되고, 전극이 손상되어 배터리의 용량 및 출력이 감소할 수 있다.
따라서, 배터리가 휘어지는 부위에서 발생하는 압축응력과 인장응력을 흡수함으로써 플렉시블 배터리의 외장재의 파손을 방지하기 위해, 외장재에 대하여 상하 금형 가압을 통한 패턴 가공을 실시한다. 패턴 가공된 외장재를 사용하는 배터리는 가공하지 않은 외장재를 사용하는 배터리보다 탄성률(탄성 계수)이 높아지므로, 배터리가 휘어질 때 외장재에 작용하는 힘이 어느 한 쪽에 힘이 집중되기 보다 분산된다. 이에 의하여, 외장재 및 내부에 수용된 전극 조립체가 어느 한 부분에서 심하게 꺾이지 않게 된다.
한편, 외장재의 패턴은 깊게 성형될 필요는 없으나, 반복적으로 발생하는 배터리의 굽힘, 휘어짐, 폴딩, 트위스트 등에 의한 외장재의 파손을 최소화하여 배터리의 내구성을 향상시킬 필요가 있다.
배터리에 외부 힘이 작용할 때, 예를 들어 배터리의 굽힘, 폴딩, 트위스트가 발생한 상태에서, 외장재의 길이 방향의 인장력보다 두께 방향으로 하중이 가해지는 압축력이 배터리의 내구성에 큰 영향을 미친다.
또한, 외장재의 내부에 수용된 전극 조립체가 변형되면서 외장재를 바깥 방향으로 밀어내는 힘이 작용한다. 외장재가 내부의 전극 조립체로부터 작용하는 힘을 견디지 못하면, 외장재의 취약한 부위를 중심으로 내부의 전극 조립체가 쉽게 꺾이게 되고, 해당 부위의 외장재가 손상되어 배터리의 성능 저하 및 스웰링, 누액 등의 안전성 이슈를 발생시키는 원인이 된다.
플렉시블 배터리의 내구성을 보다 향상시키기 위해, 배터리가 휘어지는 영역에서의 휨모멘트(bending moment)를 상승시킬 수 있는 패턴 가공 방법을 취할 필요가 있다. 구체적으로, 플렉시블 배터리의 굽힘 내구성을 높이기 위해 외장재의 피로 수명이 커지도록 패턴을 형성하는 방법이 필요하다.
(특허문헌 1) 한국공개특허 제 2005-0052069호 (2005.06.02. 공개)
(특허문헌 2) 일본공개특허 제 2013-218991호 (2013.10.24 공개)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인, 배터리에 사용되는 외장재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 목적은 외장재의 파손을 방지하고 배터리의 내구성이 향상되도록 외장재의 피로 수명이 긴 방향으로 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 배터리에 사용되는 외장재에 있어서, 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외장재는 상기 외장재의 TD로 폴딩되어 상기 배터리의 제조 시에 사용되고, 상기 배터리의 제조 시에 사용된 외장재는 상기 외장재의 TD로 벤딩됨으로써, 상기 외장재의 TD로 상기 배터리가 벤딩될 수 있도록 하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외장재는 상기 외장재의 MD로 폴딩되어 상기 배터리의 제조 시에 사용되고, 상기 배터리의 제조 시에 사용된 외장재는 상기 외장재의 TD로 벤딩됨으로써, 상기 외장재의 TD로 상기 배터리가 벤딩될 수 있도록 하는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부를 둘러싸고, 상기 외장재의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성하도록 상기 두 면의 일부가 접합되는 실링부를 더 포함하고, 상기 패턴부의 엣지(edge) 부분은 상기 실링부와 인접한 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 엣지(edge) 부분에 대한 곡률 반경은 상기 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경보다 작은 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 중심 부분으로부터 상기 패턴부의 엣지 부분으로 향할수록 곡률 반경이 작아지는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부는 상기 패턴부의 엣지 부분에 대한 파손 가능성을 고려하여 상기 외장재의 MD로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은 상기 외장재의 MD로 형성된 상기 패턴부에 기초하여 설정되는 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은, 상기 외장재의 TD로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하는 다른 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명보다 긴 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 외장재는 적어도 하나 이상의 소재가 라미네이팅된 다층 구조로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 외장재에 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 상기 외장재를 상부 금형 및 하부 금형의 사이에 위치시키는 단계 및 상기 상부 금형 및 하부 금형을 이용하여 상기 외장재를 압인함으로써 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법에 있어서, 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 상기 외장재에 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계, 상기 외장재를 폴딩하는 단계, 상기 폴딩된 외장재에 전극 조립체를 삽입하는 단계 및 상기 전극 조립체가 삽입된 상기 외장재를 밀봉하는 단계를 포함하고, 상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것일 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명은 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하고, 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인, 배터리에 사용되는 외장재를 제공할 수 있다.
또한, 외장재의 피로 수명이 긴 방향으로 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법을 제공할 수 있다. 이에 의하여, 곡률 반경 값이 작은 패턴 엣지 부분의 손상을 줄여 배터리의 굽힘 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 외장재의 패턴 엣지 부분의 파손 및 전해액의 누액을 방지함으로써 배터리의 사용 상의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 외장재를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 및 패턴부를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 패턴부와 다른 방향으로 패턴부가 형성된 외장재를 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재를 포함하는 배터리를 도시한 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 배터리의 단면 형상을 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부의 단면 형상과 패턴부의 곡률 반경을 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부의 곡률 반경을 설명하기 위한 도면이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부를 상방에서 보았을 때의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 응력-변형률 그래프를 도시한다.
도 7a는 외장재를 포함하는 배터리의 굽힘 내구성을 평가하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 외장재를 포함하는 배터리의 굽힘 내구성을 평가 시 외장재에 작용하는 힘을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 외장재에 패턴을 형성하는 방법의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법의 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 중간에 다른 부재를 개재하여 연결되어 있는 경우와, 중간에 다른 소자를 사이에 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 나아가, 본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 발명에 따른 외장재를 포함하는 배터리는 예를 들어, 전기화학 셀로, 리튬 이온 배터리일 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 외장재를 포함하는 배터리는 전극 조립체가 외장재 내부에 전해액과 함께 수용되어 밀봉되고, 리튬 이온의 이동에 의해 충전 및 방전되도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 외장재를 포함하는 배터리는 그 기능을 발휘하는 상태를 유지하면서 유연성을 가지고 휘어지도록 구성되는 플렉시블(flexible) 배터리일 수 있다. 이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다.
도 1은 외장재를 예시적으로 도시한 도면이다. 외장재(100)는 예를 들어, 적어도 하나 이상의 소재가 라미네이팅된 다층 구조로 형성될 수 있다. 적어도 하나 이상의 소재는 각각 연성을 가질 수 있다.
예를 들어, 외장재(100)의 다층 구조는 각 층의 기능에 따라 구분되는 밀봉층(Sealing layer), 물질 차단층(Barrier layer) 및 보호층(Protection layer)을 포함할 수 있다. 밀봉층은 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 필름으로 구성될 수 있다. 물질 차단층은 알루미늄포일(aluminum foil)으로 구성될 수 있다. 보호층은 나일론(nylon) 필름 또는 나일론 및 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate; PET) 복합층으로 구성될 수 있다.
외장재(100)는 롤투롤(Roll to Roll) 공정에 의해 제조된 것으로, 롤의 축 방향 또는 길이 방향에 따라 외장재(100)의 기계적 물성이 달라질 수 있다. 여기서, MD(Machine Direction)는 롤의 길이 방향을 의미하고, TD(Transverse Direction)는 롤의 축 방향을 의미할 수 있다.
플렉시블 배터리에 사용되는 외장재에 있어서, 패턴이 형성되는 방향에 따라 배터리의 기계적 특성이 달라질 수 있다. 즉, 패턴이 외장재의 MD로 형성된 외장재를 포함하는 배터리 및 패턴이 외장재의 TD로 형성된 외장재를 포함하는 배터리는 서로 다른 기계적 특성을 가질 수 있다. 이에 따라 패턴이 형성되는 방향은 플렉시블 배터리의 패턴 엣지 부분의 내구성에 영향을 끼칠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재 및 패턴부를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 외장재(100)는 외장재(100)의 MD로 형성된 적어도 하나의 패턴부(111md)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 패턴부(111md)가 형성되어 있는 외장재(100)를 포함하도록 배터리를 생성하는 경우, 외장재의 MD는 배터리의 폭 방향(10A)이고, 외장재의 TD는 배터리의 길이 방향(10B)일 수 있다.
*도 3은 도 2에 도시된 패턴부(111md)와 다른 방향으로 패턴부(111td)가 형성된 외장재를 도시한다. 도 3에 도시된 외장재에는 패턴부(111td)가 외장재의 TD(Transverse Direction)로 형성되어 있다.
도 3에 도시된 패턴부(111td)가 형성되어 있는 외장재를 포함하도록 배터리를 생성하는 경우, 외장재의 TD는 배터리의 폭 방향(10A)이고, 외장재의 MD는 배터리의 길이 방향(10B)일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재(100)를 포함하는 배터리를 도시한 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 배터리의 단면 형상을 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 배터리(10)는 외장재(100), 외장재(100)의 내부에 수용된 전극 조립체(200) 및 전극 조립체(200)와 연결된 전극 리드(300)를 포함할 수 있다.
전극 조립체(200)는 복수 개의 전극을 구비하며, 분리막을 더 포함할 수 있고, 이들이 두께 방향으로 적층되는 구조로 형성될 수 있다.
전극 조립체(200)는 서로 다른 극성의 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 전극 각각의 양면 또는 단면에 활물질이 포함된 합제가 도포될 수 있다. 제1 및 제2 전극 사이에는 분리막이 개재될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극은 음극으로서 사용되는 집전체는 구리, 알루미늄 등으로 흑연, 카본, 리튬, 실리콘, SiOx 등의 실리콘 유도체, 실리콘-흑연 복합체, 주석, 실리콘-주석 복합체 중 하나 또는 그 이상의 조합인 음극 활물질로 구성될 수 있다. 또한 제 2 전극은 양극으로서 사용되는 집전체는 알루미늄, 스테인리스 스틸 재질 등으로 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 망간 산화물, 리튬 코발트-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈 산화물, 리튬 망간-니켈 산화물, 리튬 코발트-니켈-망간 산화물, 리튬 코발트-니켈-알루미늄 산화물, 리튬 인산철 중 하나 또는 그 이상의 조합인 양극 활물질로 이루어질 수 있다.
전극 조립체(200)는, 제1 및 제2 전극이 면을 형성하도록 연장되는 두 방향 중 길이 방향으로 폭 방향보다 길게 연장되고, 면을 형성하는 방향과 교차(예를 들면, 직교)하는, 활물질 및 분리막이 적층되는 두께 방향으로 두께가 얇은 형상을 가질 수 있다.
또한, 전극 조립체(200)는 전극 연결탭 및 리드 연결탭을 포함할 수 있다. 전극 연결탭은 제1 및 제2 전극의 길이 방향 일 단부에서 돌출되도록 형성될 수 있고, 서로 동일한 극성의 전극에서 돌출되는 전극 연결탭이 서로 결합될 수 있다. 전극 연결탭에 의해, 전극은 전기적으로 병렬 연결되어 있을 수 있다. 리드 연결탭은 전극 리드(300)와 연결되며, 양극 및 음극의 전극에서 돌출되어 전극 리드(300)와 결합될 수 있다.
구체적으로, 외장재(100)는 수용부(110) 및 실링부(120)를 포함할 수 있다. 수용부(110)는 전극 조립체(200)를 수용하는 공간을 형성하고, 실링부(120)는 수용되는 전극 조립체(200)를 외부와 밀폐시키도록 접합될 수 있다. 도 4b에 도시된 것과 같이, 수용부(110)는 두 외장재(100)의 서로 이격하여 대면하는 영역에 해당될 수 있다. 수용부(110)를 형성하기 위해, 외장재(100)의 기설정된 영역이 대략 사각형의 그릇(또는 컵)의 형상이 되도록, 외장재(100)는 두께 방향으로 가압되어 돌출되도록 가공될 수 있다.
더 구체적으로, 본 실시예의 수용부(110)의 표면에는 적어도 하나의 패턴부(111md)가 외장재(100)의 MD로 연장되어 형성될 수 있다. 패턴부(111md)는 일 방향으로 연장되고 일 방향과 교차하는 방향으로 반복적으로 배치되는 패턴으로, 구체적으로, 두께 방향으로 번갈아가며 돌출 또는 리세스(즉, 서로 반대 방향으로 번갈아가며 돌출)되어, 일 방향을 따라 요철 형상을 가질 수 있다. 여기서, 일 방향은 외장재(100)의 MD인 배터리의 폭 방향(10A)이고, 패턴부(111md)가 반복되는 방향은 외장재(100)의 TD인 배터리의 길이 방향(10B)이 될 수 있다. 돌출 및 리세스되는 패턴부(111md)에 의해, 도 4b에 보인 것과 같이, 수용부(110)를 형성하는 외장재(100)는 길이 방향으로 물결 또는 주름 패턴을 형성할 수 있다.
실링부(120)는 두 실링면의 접합에 의해 형성될 수 있다. 실링면은 외장재(100)의 접합면을 의미하며, 수용부(110)의 모서리를 따라 겹쳐진 두 실링면이 서로 접합됨으로써, 내부 공간(수용부(110))을 외부와 격리시킬 수 있다. 내부 공간에는 앞서 설명한 전극 조립체(200) 및 전해액이 수용될 수 있고, 전극 조립체(200) 및 전해액은 밀봉 상태가 유지될 수 있다.
즉, 실링부(120)는 패턴부(111md)를 둘러싸고, 외장재(100)의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성할 수 있다.
또한, 실링부(120)는 배터리의 폭 방향(10A) 또는 배터리의 길이 방향(10B)으로 연장되는 평판 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 실링부(120)의 평판 형상은 표면이 서로 마주보도록 휘어져 있지 않은 형상일 수 있다. 또는, 실링부(120)는 패턴부(111md)와 상이한 패턴을 가질 수 있고, 예를 들면, 패턴부(111md)보다 두께 방향으로 높이가 낮은 패턴을 가질 수 있다.
패턴부의 엣지 부분(110e)은 실링부(120)와 인접한 부분일 수 있다. 예를 들어, 패턴부의 엣지 부분(110e)은 실링부(120) 배터리의 길이 방향(10B)으로 연장되는 부분에 인접한 영역을 포함할 수 있다.
한편, 전극 리드(300)는 외장재(100) 내부의 전극 조립체(200)와 연결되고 외장재(100)의 외부로 노출되도록 연장된다. 전극 리드(300)는 외장재(100) 내부에 수용되는 전극 조립체(200)와의 전기적 연결을 위한 단자로 기능하며, 실링부(120) 형성 시 실링면 사이에 개재되는 상태로 실링부(120)를 관통하도록 접합될 수 있다. 양극 및 음극의 한 쌍의 전극 리드(300)는 전극 조립체(200)에 구비되는 리드 연결탭과 동일한 극끼리 결합될 수 있다.
본 발명의 외장재(100)는 외장재(100)의 TD 또는 MD로 폴딩되어 배터리(10)의 제조 시에 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리(10)의 제조 시에 사용된 외장재(100)는 외장재(100)의 TD로 벤딩됨으로써, 외장재(100)의 TD로 배터리가 벤딩될 수 있도록 한다. 즉, 외장재(100)의 MD로 물결 또는 주름 패턴을 가지는 패턴부에 의해 외장재(100)가 외장재(100)의 TD로 가동성을 가질 수 있기 때문에, 해당 외장재(100)를 이용하는 배터리 또한 외장재(100)의 TD로 가동성을 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 외장재(100) 및 패턴부(111md)에 대해 설명한다. 도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부(111md)의 단면 형상과 곡률 반경을 도시한 도면이다. 도 5a를 참조하면, 패턴부(111md)는 일정한 패턴 높이(h1) 및 패턴 피치(P)를 갖는 요철 형상이 반복되도록 형성될 수 있다. 도 5a와 같이 그 형상이 물결 무늬일 때 곡률은 곡선 또는 곡면의 휨 정도를 나타내는 정도로, 곡률 반경(R)은 원호의 반지름을 의미한다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부(111md)의 곡률 반경을 설명하기 위한 도면이다. 패턴부(111md)의 곡률 반경은, 패턴부의 중심 부분으로부터 패턴부의 엣지 부분으로 향할수록 그 값이 작아질 수 있다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴부를 상방에서 보았을 때의 형상을 도시한다. 패턴부(111md)를 상방에서 보았을 때, 패턴부의 중심 부분으로부터 패턴부의 엣지 부분(110e)으로 향할수록 TD로의 패턴 폭이 작아질 수 있다. 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 패턴부의 엣지 부분(110e)에 대한 곡률 반경(R2)은 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경(R1)보다 작을 수 있다.
플렉시블 배터리를 반복적으로 변형하는 경우에, 곡률 반경이 큰 패턴부의 중심 부분보다, 상대적으로 곡률 반경이 작은 패턴부의 엣지 부분에서 핀홀, 크랙 등의 파손이 발생할 확률이 높다.
표 1은 외장재 A, 외장재 B, 외장재 C 및 외장재 D의 각 구성의 두께 및 총 두께를 나타낸다. 예를 들어 외장재 A, 외장재 B 및 외장재 C는 A Lamination 공법으로 롤투롤 제조된 것이고, 외장재 D는 B Lamination 공법으로 롤투롤 제조된 것일 수 있다.
Figure PCTKR2021018926-appb-img-000001
기존의 배터리는 구부리거나 변형될 필요가 없기 때문에 외장재를 반복적으로 폴딩한 경우에 나타나는 외장재의 기계적 물성을 중요하게 생각하지 않았다.
그러나, 플렉시블 배터리에 사용되는 외장재에 있어서, 외장재를 한 번도 폴딩하지 않았을 때 나타나는 외장재의 기계적 물성보다, 외장재를 반복적으로 폴딩한 경우에 나타나는 외장재의 기계적 물성의 차이가 유의미하다. 패턴부의 방향, 즉 외장재의 MD로 형성된 패턴부를 포함하는 외장재와 외장재의 TD로 형성된 패턴부를 포함하는 외장재를 각각 반복적으로 폴딩했을 때의 외장재의 기계적 물성에 기초하여 패턴부를 형성하는 방향이 결정될 수 있다.
플렉시블 배터리는 상대적으로 곡률 반경이 가장 작은 외장재의 패턴 엣지(edge)에서 파손이 자주 발생될 수 있다. 가장 곡률 반경이 작은 상태는 접힌(폴딩) 상태로 외장재의 반복적인 폴딩 평가를 통해 플렉시블 배터리의 굽힘 내구성을 간이로 알 수 있다(가속시험).
이하에서는 배터리가 포함하는 외장재의 내구성을 평가하는 일 방법으로서, 반복적인 폴딩 후 인장 시험에 대해 설명한다.
외장재의 구성 및 패턴부가 형성되는 서로 다른 방향성(MD, TD)을 갖는 외장재를 각각 일정한 폭과 길이로 시료를 타발한다. 예를 들어, 폭이 10 mm이고 길이가 100 mm인 덤벨 모양으로 외장재를 타발할 수 있다.
이어서 각 외장재의 길이 방향의 중심 부분을 동일한 압력 및 시간으로 눌러 접는다(폴딩). 예를 들어, 외장재를 0.2 Mpa의 압력으로 2 초동안 눌러 접을 수 있다. 각 외장재를 동일한 방식으로 복수 회 반복하여 접고 펼 수 있다.
인장 시험기를 이용하여 시편의 길이 방향으로 제한 변위를 고정하고 일정한 변형률로 당길 수 있다. 예를 들어, 인장 전의 외장재 시료의 길이는 100 mm이고, 인장 후의 외장재 시료의 길이는 105 mm일 수 있다. 제한 변위는 5 mm이고, 변형률은 5 %일 수 있다.
예를 들어, 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재(MD 패턴)는 MD로 폴딩하고, TD로 인장할 수 있다. 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재(TD 패턴)는 TD로 폴딩하고, MD로 인장할 수 있다.
각 외장재를 동일한 횟수로 반복하여 폴딩한 후에, 전자 현미경을 이용하여 외장재의 파손 여부를 확인한다. 표 2는 표 1에 나타난 외장재 A~D에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 시행한 결과를 도시한다.
Figure PCTKR2021018926-appb-img-000002
표 2에 나타난 바와 같이, 5회 폴딩 후 인장한 경우에는 외장재 A, B, C 및 D 모두에서 파손이 발견되지 않았다.
10회 반복 폴딩 후 인장한 경우에는 외장재 A, B 및 C는 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 경우에는 파손이 발생하지 않았으나, 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 경우에는 파손이 발생하였다. 외장재 D도 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료보다 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 파손 정도가 크게 나타났다.
15회 반복 폴딩 후 인장한 경우에는 외장재 A, B 및 C에서 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료보다 외장재의 TD로 패턴부가 형성되는 외장재 시료의 파손 정도가 크게 나타났다.
상술한 바와 같이 외장재 A, B, C 및 D에 대하여, 반복 폴딩 후 인장 시험을 시행한 경과, 외장재 A, B, C 및 D는 MD로 폴딩하고 TD로 인장한 경우의 내구성이 TD로 폴딩하고 MD로 인장한 경우보다 외장재의 내구성 즉, 외장재의 구부림성, 폴딩 내구성이 높은 것으로 나타났다.
외장재의 MD로 패턴부를 형성함으로써, 곡률 반경이 작은 패턴부의 엣지 부분의 파손을 최소화하고, 배터리의 굽힘 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 응력(Stress)-변형률(Strain) 그래프를 도시한다. 도 6에 도시된 그래프에서, 인성(Toughness)은 응력-변형률 곡선의 면적을 나타난다.
표 3은 외장재 B에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 실시한 후에, 기계적 물성을 평가한 결과를 도시한다.
Figure PCTKR2021018926-appb-img-000003
표 4는 외장재 C에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 실시한 후에, 기계적 물성을 평가한 결과를 도시한다.
Figure PCTKR2021018926-appb-img-000004
표 5는 외장재 D에 대하여, 상술한 반복 폴딩 후 인장 시험을 실시한 후에, 기계적 물성을 평가한 결과를 도시한다.
Figure PCTKR2021018926-appb-img-000005
일반적으로 A 공법 또는 B 공법으로 롤투롤 제조되는 외장재는, 외장재의 MD로 연성이 뛰어나고, 외장재의 TD로 강성이 뛰어난 성질을 가진다.
도 6 및 표 3 내지 5를 참조하면, 반복 폴딩 횟수가 많아질수록 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 경우의 인성(Toughness)이 TD로 패턴부가 형성되는 경우의 인성(Toughness)보다 높은 것으로 보아 외장재 B, C 및 D 모두에서 외장재의 MD로 패턴부가 형성되는 경우에 외장재의 피로 수명이 더 긴 것을 확인할 수 있다.
외장재 D의 0회 폴딩 시, 즉 반복 폴딩을 하지 않은 경우의 인성(Toughness)이 외장재 B, C의 반복 폴딩을 하지 않은 경우의 인성(Toughness)과 반대의 경향을 보이는데 이는 Lamination 공법과 내부 재료에 의한 차이로, 반복적으로 구부러지거나 변형되는 배터리에서는 반복 폴딩을 하지 않은 경우의 기계적 물성보다 반복적인 변형에 의해 달라지는 기계적 물성이 유의미하다.
도 7a는 외장재를 포함하는 배터리의 굽힘 내구성을 평가하는 다른 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7a를 참조하면, 외장재(100)를 포함하는 배터리(10)를 일 방향으로 복수 회 벤딩시킴으로써 굽힘 평가를 수행할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 외장재(100)를 포함하는 배터리(10)를 벤딩하면, 굽힘 내경에서는 외장재(100)를 수축시키는 방향으로 힘(710)이 작용하고, 굽힘 외경에서는 외장재(100)를 이완시키는 방향으로 힘(720)이 작용한다. 패턴부(111md)를 포함하는 외장재(100)를 포함하는 배터리(10)는, 외장재의 TD로 굽힘 평가가 수행될 수 있다. 달리 말하면, 배터리의 길이 방향(10B)으로 외장재(100)를 포함하는 배터리를 벤딩시킴으로써, 굽힘 평가를 수행할 수 있다.
이와 달리, 패턴부(111td)를 포함하는 외장재를 포함하는 배터리는, 외장재의 MD로, 즉 배터리의 길이 방향(10B)으로 외장재를 포함하는 배터리를 벤딩시킴으로써, 굽힘 평가를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 굽힘 평가는 R15, 25rpm 조건 하에서 배터리를 벤딩시킴으로써 수행될 수 있다.
표 6은 표 1에 나타난 외장재 A, B, C 및 D 중 어느 하나에 대하여, 외장재의 MD로 패턴부를 형성한 경우(MD pattern)와 외장재의 TD로 패턴부를 형성한 경우(TD pattern)에 있어서, 굽힘 평가를 수행한 결과를 나타낸다. 예를 들어, 표 6의 배터리 1은 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재 A를 포함하는 배터리를 의미한다.
Figure PCTKR2021018926-appb-img-000006
표 6에 나타난 배터리 1 내지 8에 대한 굽힘 평가 결과에 의하면, 외장재 A, B, C 및 D 모두에서, 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 경우에 패턴부의 엣지 부분의 파손 정도가 외장재의 TD로 패턴부가 형성된 경우보다 확연히 감소됨을 확인하였다.
따라서, 외장재에 MD로 패턴부를 형성함으로써, 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 파손을 최소화하여 전해액의 누액 및 스웰링 현상을 줄이고, 배터리의 벤딩 내구성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 외장재에 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
단계 S810에서 외장재(100)를 상부 금형 및 하부 금형의 사이에 위치시킬 수 있다.
단계 S820에서 상부 금형 및 하부 금형을 이용하여 외장재(100)를 압인함으로써 외장재(100)의 MD(Machine Direction)로 적어도 하나의 패턴부(111md)를 형성할 수 있다.
여기서, 외장재의 MD는 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향일 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S810 내지 S820은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 전환될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
단계 S910에서 외장재(100)의 MD(Machine Direction)로 외장재(100)에 적어도 하나의 패턴부(111md)를 형성할 수 있다.
단계 S920에서 패턴부(111md)가 형성된 외장재(100)를 폴딩할 수 있다.
단계 S930에서 폴딩된 외장재(100)에 전극 조립체(200)를 삽입할 수 있다.
예를 들어, 외장재에는 배터리의 상면에 해당하는 패턴부 및 배터리의 하면에 해당하는 패턴부가 각각 외장재의 MD로 형성되어 있으며, 외장재는 외장재의 TD로, 두 패턴부 사이의 중심선을 기준으로 접을 수 있다(Folding 작업). 두 패턴부 사이의 중심선을 기준으로 접어진 외장재는 배터리의 상면에 해당하는 패턴부 및 배터리의 하면에 해당하는 패턴부가 중첩되도록 위치하며, 이러한 패턴부의 위치에 포개어지도록 전극 조립체를 삽입할 수 있다.
다른 예를 들어, 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재를 외장재의 MD로 폴딩할 수 있다. 접어진 외장재에 전극 조립체가 삽입될 수 있다.
단계 S940에서 전극 조립체(200)가 삽입된 외장재(100)를 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 외장재(100)는 외장재를 둘러싸는 4면에서 밀봉 작업을 수행하여 4 개의 밀봉 영역을 생성할 수 있고, 그 중 두 개의 밀봉 영역은 외장재(100)의 MD로 형성되고, 나머지 두개의 밀봉 영역은 외장재(100)의 TD로 형성될 수 있다.
여기서, 외장재의 MD는 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고, 외장재의 TD(Transverse Direction)는 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향일 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S910 내지 S940은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 전환될 수도 있다. 특히, 외장재에 패턴부를 형성하는 공정은 본 발명에서 외장재를 실링(밀봉)하기 전에 수행되거나 외장재를 실링(밀봉)한 후에 수행될 수도 있다.
본 발명에 따른 외장재에서는 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명이 외장재의 MD로 형성된 패턴부에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 외장재의 MD로 형성된 적어도 하나의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은, 외장재의 TD로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하는 다른 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명보다 긴 것일 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재를 포함하도록 함으로써, 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 피로 수명을 개선할 수 있다. 여기서, 피로 수명은 폴딩(예를 들어, 배터리를 생성하기 위해 외장재를 접는 동작), 벤딩(예를 들어, 배터리 또는 와장재를 구부리는 동작), 반복 폴딩(예를 들어, 배터리 내구도에 대한 실험을 위해 외장재를 반복적으로 접는 동작)과 같이 외장재의 엣지 부분에 힘이 가해짐으로써 발생하는 변형에 대한 피로 수명을 의미할 수 있다.
즉, 패턴부는 외장재의 패턴부의 엣지 부분에 대한 파손 가능성을 고려하여 외장재의 MD로 형성될 수 있다. 외장재의 MD로 패턴부를 형성함으로써, 외장재의 패턴부에서 상대적으로 곡률 반경이 작은 패턴 엣지 부분의 파손 확률을 낮출 수 있다.
상술한 바와 같이, 외장재의 MD로 패턴부가 형성된 외장재를 포함하는 배터리는, 작은 굽힘 반경을 가져 피로강도가 상대적으로 큰 디바이스에 적용할 수 있다.
예를 들어, 디바이스 내 배터리의 굽힘 반경은 5R(손가락둘레)~35R(발목둘레)에 해당하며, 손목 밴드, 손목 시계, 반지형 스마트 디바이스 등에 적용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 배터리에 사용되는 외장재에 있어서,
    상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 형성된 적어도 하나의 패턴부
    를 포함하고,
    상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고,
    상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것인, 외장재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외장재는 상기 외장재의 TD로 폴딩되어 상기 배터리의 제조 시에 사용되고,
    상기 배터리의 제조 시에 사용된 외장재는 상기 외장재의 TD로 벤딩됨으로써, 상기 외장재의 TD로 상기 배터리가 벤딩될 수 있도록 하는 것인, 외장재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외장재는 상기 외장재의 MD로 폴딩되어 상기 배터리의 제조 시에 사용되고,
    상기 배터리의 제조 시에 사용된 외장재는 상기 외장재의 TD로 벤딩됨으로써, 상기 외장재의 TD로 상기 배터리가 벤딩될 수 있도록 하는 것인, 외장재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴부를 둘러싸고, 상기 외장재의 두 면의 사이에 밀폐된 공간을 형성하도록 상기 두 면의 일부가 접합되는 실링부를 더 포함하고,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분은 상기 실링부와 인접한 것인, 외장재.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 패턴부의 엣지(edge) 부분에 대한 곡률 반경은 상기 패턴부의 중심 부분에 대한 곡률 반경보다 작은 것인, 외장재.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 패턴부의 중심 부분으로부터 상기 패턴부의 엣지 부분으로 향할수록 곡률 반경이 작아지는 것인, 외장재.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴부는 상기 패턴부의 엣지 부분에 대한 파손 가능성을 고려하여 상기 외장재의 MD로 형성된 것인, 외장재.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은 상기 외장재의 MD로 형성된 상기 패턴부에 기초하여 설정되는 것인, 외장재.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명은, 상기 외장재의 TD로 형성된 적어도 하나의 패턴부를 포함하는 다른 외장재의 패턴부의 엣지 부분의 변형에 대한 피로 수명보다 긴 것인, 외장재.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 외장재는 적어도 하나 이상의 소재가 라미네이팅된 다층 구조로 형성된 것인, 외장재.
  11. 외장재에 패턴을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 외장재를 상부 금형 및 하부 금형의 사이에 위치시키는 단계; 및
    상기 상부 금형 및 하부 금형을 이용하여 상기 외장재를 압인함으로써 상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고,
    상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것인, 방법.
  12. 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 외장재의 MD(Machine Direction)로 상기 외장재에 적어도 하나의 패턴부를 형성하는 단계;
    상기 외장재를 폴딩하는 단계;
    상기 폴딩된 외장재에 전극 조립체를 삽입하는 단계; 및
    상기 전극 조립체가 삽입된 상기 외장재를 밀봉하는 단계
    를 포함하고,
    상기 외장재의 MD는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 폭 방향이고,
    상기 외장재의 TD(Transverse Direction)는 상기 외장재를 포함하는 배터리의 길이 방향인 것인, 방법.
PCT/KR2021/018926 2020-12-28 2021-12-14 외장재, 외장재에 패턴을 형성하는 방법 및 외장재를 포함하는 배터리를 생성하는 방법 WO2022145810A1 (ko)

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